研究⽬的

研究背景

直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプ

冷房 2.4%

地球温暖化問題
家庭におけるエネルギー消費量を削減する必要性が増⼤

冷媒配管を地中に埋設することで地中と直接熱交換することが可能

給湯
29.1%

動⼒・照明等33.3%

家庭のエネルギー需要の3割︓給湯
熱源︓ガス、⽯油などの化⽯燃料

2017年度
34.303MJ/世帯

 不凍液を利⽤した間接⽅式に⽐べ省
エネルギー性に優れる

暖房 25.7％

厨房 9.6%

世帯当たりのエネルギー消費量

地中熱ヒートポンプ

 循環ポンプが不要なため部品数が少なく、イニシャルコストを抑えることが可能（参考︓エネルギー⽩書2018）

直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプを家庭へ普及させることで，地球温暖化問題へ貢献できる

浅い地盤に存在する低温の熱エネルギー（地中熱）を利⽤

 省エネルギー性に優れ、CO2排出量の削減が期待 年間を通して安定した温度であるため、空気熱ヒートポンプに⽐べランニングコストを低減

研究⽬的

問題点 ⾼価なイニシャルコスト
家庭への普及の妨げ

2

実験装置

給湯専⽤直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプを⽤いて⼀般家庭での使⽤を想定した⻑期
間運転を⾏い、地中温度の回復状況や地中温度の低下が性能に与える影響を明らかにすることを⽬的とした。

3地中熱交換器
冷媒循環⽅向ヒートポンプ

貯湯タンク: 460L•••

冷媒︓ R32(1.2Kg + 潤滑油)
暖房能⼒︓ 5.0kW
⽔冷媒熱交換器:キャピラリーチューブ抱合伝熱管を応⽤した熱交換器

地中熱交換器

温度計測地点冷媒循環⽅向
1本→3 本4外径

内径

ケーシング管165.2mm

155.2 mm

採放熱管

6.35 mm

4.35 mm5実験条件

実験結果(⽔/冷媒熱交換器⼊⼝・出⼝⽔温、循環流量)
実験期間

2019年4⽉20⽇〜5⽉20⽇

実験開始時刻23:00 (夜間電⼒)

給⽔温度

⽔道⽔温度

沸上温度

68.5 °C

沸上量

460L

運転終了⽬標⽔／冷媒熱交換器⼊⼝⽔温38.5 °C

Heat exchanger outlet

Heat exchanger inlet

Flow rate

2019/4/20~21
Water exchanger inlet

直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプの性能評価には，システム成績係数（SCOP）を⽤いた

2019/5/19~20

Water exchanger outlet

Flow rate

68.3 ºC

68.2 ºC

成績係数︓SCOP (System Coefficient of Performance)
𝑆𝐶𝑂𝑃※𝑐𝜌𝑞𝑡𝑡𝑃

c: ⽔の⽐熱 4.2[kJ/(kg・K)]
ρ: ⽔の密度 1.0 10 [Kg/m ]q: 流量 [m /st : 熱交換器⼊⼝⽔温[℃]t : 熱交換器出⼝⽔温[℃]
P: 消費電⼒[kW]

本実験で使⽤したラインポンプは圧縮機の消費電⼒に⽐べ⾮常に⼩さいため
COP=SCOPとして評価した

15.3 ºC

6

2019/4/20~2120m
13.3ºC
12.0ºC

21.4 ºC

平均循環流量 : 0.80 L/min
温⽔⽣成量 ︓ 383.22 L

7

2019/5/19~20

2019/4/20~21

2019/5/19~20

16.2ºC

平均循環流量: 0.83 L/min
温⽔⽣成量 ︓396.03 L

19.9 ºC

実験結果 (性能評価)

実験結果 (地中温度）
10m

18.5 ºC

Power consumption

30m

Output power

SCOP

13.2ºC
11.3ºC

12.1ºC
15.7ºC
9.4ºC
15.2ºC

11.1ºC

9.7ºC
7.3ºC

 1ヶ⽉間の運転で地中温度が低下
 運転開始時で⽐較すると10m地点で4.1℃，20m地点で3.6℃，30m地点で2.0℃
低い
地中温度が十分に回復しておらず，採熱の補助的なシステムとして水を注水する必要がある

平均取得熱量平均SCOP
平均消費電⼒︓2.99 kW︓2.32︓1.29 kW

平均取得熱量平均SCOP
平均消費電⼒︓2.58 kW︓2.05︓1.28 kW

取得熱量は13.7%，SCOPは11.6%減少
地中温度の低下を抑える必要がある

89

実験結果 (性能評価)

実験条件

2019/4/20~21

2019/5/19~20

Power consumption

Output power

熱交換器単位長さ当りの取得熱量

SCOP

排出量を減らした場合の地中温度の回復状況や温⽔⽣成時間について調査する

実験期間

2018年11⽉7⽇〜
11⽉14⽇2018年12⽉6⽇〜
12⽉13⽇

排出量

200L

300L

運転終了⽬標⽔／冷媒熱交換器
⼊⼝⽔温38.5 °C

実験開始時刻23:00 (夜間電⼒)

実験初日

最終日

沸上温度

68.5°C

0.1kW/m

0.086kW/m

給⽔温度

⽔道⽔温度

暖房能⼒5.0kWを満たすためには地中からさらに2.42kWの熱を採熱する必要があ
り採放熱管を28m以上延⻑する必要がある

1110

実験結果 (地中温度）

実験結果 (地中温度）
排出量200L

16.0ºC
15.3ºC

排出量300L

16.1ºC
15.5ºC

14.8ºC

15.6ºC

15.4ºC

15.5ºC

14.9ºC

14.9ºC

15.0ºC

14.2ºC10m

温度計測地点20m

30m

最終⽇の地中温度は初⽇に⽐べ⼗分に回復している
負荷が少なく運転時間が短いため，ボアホール1本での連続運転が可能
10m地点の温度変化が激しい
10m地点で多くの冷媒が蒸発していることが考えられる

1210m

温度計測地点20m

30m

実験終了時の地中温度は実験開始時に⽐べ10m地点で0.7℃，20m地点で0.5℃，30m地点で0.1℃の低下
13実験結果 (性能評価)

実験結果(⽔/冷媒熱交換器⼊⼝・出⼝⽔温、循環流量)
実験⽇︓2018年11⽉7⽇〜8⽇

実験⽇︓2018年12⽉6⽇〜7⽇

排出量︓200L

排出量︓300L

実験期間︓2018/11/7〜11/14

実験期間︓2018/12/6〜12/13

排出量︓200L

排出量︓300L68.0 ºC

68.7 ºC

38.5 ºC
17.6 ºC

Power consumption

39.0 ºC

13.1 ºC

Output power

SCOP

排出量200L
地中温度の低下が⾒られなかったため，取得熱量，SCOPともに変動はない

Water exchanger outlet

Water exchanger inlet
運転時間︓2時間23分

排出量300L

Flow rate

運転時間︓3時間25分

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実験結果 (性能評価)
実験期間︓2018/11/7〜11/14

実験期間︓2018/12/6〜12/13

排出量︓200L

排出量︓300L

Power consumption

Output power
運転時間

SCOPDay 1

Day 2Day 3

Day 4

Day 5Day 6Day 7

沸上量200L(h:min)

2:26

2:27

2:52

2:34

2:41

2:32

2:40

沸上量300L(h:min)

3:25

3:27

3:49

4:00

3:59

4:01

4:00
1610m地点で0.7℃，20m地点で0.5℃，30m地点で0.1℃の低下したが，取得熱量，SCOPへの影響は⾒られなかった．

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